基于PUE分析的某数据中心制冷系统优化研究

苏 志

基于PUE分析的某数据中心制冷系统优化研究

苏 志

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 上海 200092）

上海市既有数据中心的PUE大部分在1.6~2.3范围内，具有较大的节能潜力。为此，上海市2018年11月起要求存量改造的数据中心PUE≤1.4，新建的数据中心PUE≤1.3。以上海某银行新建数据中心为研究对象，建立理论模型对其各项能耗进行计算，得到原设计工况下的PUE值为1.459，同时对该数据中心的制冷优化方案进行了研究，通过对不同供回水温度下的PUE进行计算，分析PUE值低于1.4的可行性，得出本项目最优的供回水温度，为类似工程的改造优化提供参考。

数据中心；PUE；供回水温度；制冷系统优化

0 引言

随着社会经济的发展，我国数据中心的建设已经进入了高速发展时期，虽然中西部低温低湿地区良好的气候条件可为数据中心的节能运行提供基础[1]，但一线城市旺盛的数据生产需求，也需要数据中心能够尽可能的靠近大城市建设。作为一线城市，上海市已建成有大量的数据中心，但既有数据中心的PUE（Power Usage Effectiveness）大部分在1.6~2.3范围内[2]，其巨大能耗和较低的能源效率对城市电力系统提出了挑战。为此，上海市于2018年11月出台了《上海市推进新一代信息基础设施建设助力提升城市能级和核心竞争力三年行动计划（2018-2020年）》（下称《计划》），旨在推进数据中心建设的同时，推动数据中心节能技改和结构调整，要求存量改造的数据中心PUE不高于1.4，新建的数据中心PUE限制在1.3以下。

在《数据中心资源利用第3部分：电能能效要求和测量方法》（GB/T 32910.3-2016）中，将EEUE（ElectricEnergy Usage Effectiveness）定义为评价数据中心能源效率的指标[3]，由于EEUE与PUE的定义相同[4]，本文仍采用PUE作为指标。该标准中将PUE划分为5个等级，其中最高的一级标准要求1＜PUE≤1.6。PUE的计算公式如下[3]：

式中：E为数据中心总电能消耗，kWh；E为数据中心信息设备电能消耗，kWh。

可以看出，《计划》中对存量数据中心PUE≤1.4和新建数据中心PUE≤1.3的要求远高于国家标准。事实上，考虑上海市的气候特点，如果按照传统的方案进行数据中心的设计，不可能达到PUE≤1.3的要求，这就要求新建数据中心需要采用更加有效的节能方案。而对于存量数据中心，如何使其PUE降低至1.4以下，也是现阶段的难点。

上海市某银行新建的数据中心设计完成于2018年7月，早于《计划》的发布时间，根据当时工信部《关于数据中心建设布局的指导意见》，该新建数据中心仅要求PUE小于1.5。本文通过对该项目设计工况下的PUE进行分析计算，从设计的角度研究该数据中心PUE降至1.4以下的可行性，并提出优化方案。

1 项目概况

某银行新建数据中心位于上海市，该项目包括一栋数据中心及一栋办公大楼，按照国家标准A级数据机房设计[5]。其中，数据中心为4层建筑，共设有7间标准的数据机房，每间标准数据机房按130台IT机柜设计，单个IT机柜额定功率为4kW，数据中心2~4层每层均设有2个运营商机房，每个运营商机房设有5台功率为5kW的运营商机柜，数据机房大楼共设置有910台IT机柜及30台运营商机柜，机柜总装机容量为3790kW。

本项目制冷系统采用离心式水冷冷水机组作为冷源，共设置3+1套制冷单元（三用一备），制冷设备按N＋1冗余配置，系统可提供连续供冷，并满足在线维护的需求。根据数据机房及辅助用房的散热量，每套制冷单元由一台750RT的离心式冷水机组、一台变频冷却水泵、一台变频冷冻水泵、一台板式换热器、一台冷却塔及配套设备组成。其中，配套设备的能耗极小，在总能耗中可忽略不计。

根据PUE的计算原则[3]，本项目办公大楼的能耗不计入PUE能耗计算，仅对数据中心大楼进行相关的能耗分析。

该数据中心设计为全年不间断运行，其总能耗可大致分为IT设备能耗、输配电能耗、照明及自控系统能耗、制冷系统能耗、辅助能耗几大类。其中，数据中心总能耗测量点设在变压器的低压侧[3]，因此计算中不考虑变压器及其线路损耗，输配电能耗部分主要考虑UPS损耗，由于该项难以直接测量，通常采用估算确定[6]，根据电气提供的估算指标，满载时按6%考虑。假定数据中心全年满负荷运行，根据本项目的设计输入参数，本项目各项能耗数据如表一所示。

表1 数据中心主要能耗

2 制冷系统的运行模式

本项目采用离心式水冷冷水机组+板式换热器+冷却塔的传统制冷系统，制冷系统的运行模式分三种：冷机制冷模式、预冷模式、自然冷却模式。各模式的转换由单元控制器根据室外空气湿球温度TWB、冷却塔风机负荷、冷水机组及板式换热器的运行状况综合确定。本项目设计的冷冻水供回水温度为12/17℃。

2.1 冷机制冷模式

2.2 冷却塔的运行控制

当TWB降低时，系统优先调节冷却塔风机来进行节能控制。在所有的运行模式下，冷却塔风机采用统一的运行频率，当冷却塔持续10分钟连续运行在45Hz以上，则增加一台运行的冷却塔，直到所有的冷却塔均投入运行。当冷却塔持续10分钟以上运行在最低设定运行频率30Hz，则减少一台运行的冷却塔。当冷却塔加减机运行台数小于冷却水泵的运行台数时，卸载冷却塔时只关闭风机，不关闭冷却塔的供回水阀门。

2.3 预冷模式

表2 750RT离心式冷水机组部分负荷性能参数表

2.4 自然冷却模式

自然冷却模式下，冷却塔的控制输入值将从换热器的冷却水出水温度（冷机进水温度）切换至换热器冷冻水出水温度，以维持冷冻水供水温度为12℃。当换热器冷冻水出水温度高于设定值0.5℃达15分钟时，制冷系统将切换回到预冷模式，同时冷却塔控制输入值从换热器冷冻水供水温度切换回换热器冷却水出水温度，以维持板换冷却水出水温度设定值。

在自然冷却模式下，冷水机组能耗为零，制冷系统能耗仅包含冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵及辅助设备，此工况的运行时间越长，系统节能效果越显著。

3 设计工况下制冷系统的能耗分析

图1 上海市全年室外湿球温度分布

图2 上海市全年室外湿球温度小时数

根据制冷系统的运行模式可知，TWB是决定制冷系统能耗的主要参数。上海市属于夏热冬冷地区，图1为上海市典型气象年的全年室外湿球温度参数变化。根据图1可以统计数据得到各湿球温度的全年小时数，结果如图2所示。

假定数据机房全年满负荷运行，则冷却水泵和冷冻水泵可按定流量考虑（同时考虑预冷模式下水泵扬程增加的影响），TWB主要影响冷水机组的COP、冷却塔的风扇功率及各模式的运行时长。根据某品牌750RT离心式水冷冷水机组的性能参数，结合文献资料计算得到各湿球温度下冷水机组的满载COP值[7]，如图3所示。基于以上简化假设，依据温频法（BIN method）[8]，结合TWB对各制冷设备性能的影响，可推得公式（2）~（4），并以此建立简化计算模型。该模型根据不同室外湿球温度下的各设备性能以及室外湿球温度的频率数，累加后可得到制冷系统全年的总能耗。

图3 冷水机组满载COP随TWB变化曲线

冷水机组的全年能耗（kWh）：

水泵的全年能耗（kWh）：

冷却塔的全年能耗（kWh）：

式中：Q为冷水机组在某一室外空气湿球温度值的制冷量，kW；COP为冷水机组在某一室外空气湿球温度值的COP值；Q为水泵在某一室外空气湿球温度值的流量，m³/s；H为水泵在某一室外空气湿球温度值的扬程，m；P为冷却塔在某一室外空气湿球温度值的额定功率，kW；f为某一室外空气湿球温度值的年小时频率值，h。

根据模型计算后得到12/17℃工况下的全年能耗数据，如图4所示。同时，根据公式（1）计算得到此工况下PUE值为1.459，满足该项目设计时上海市对新建数据中心PUE＜1.5的要求。从图4也可以看出，除IT设备能耗外，制冷系统及空调末端的能耗在总能耗中占比最大，因此，提高制冷系统的能源利用率对提高数据中心的PUE至关重要。

图4 数据中心全年能耗统计

图5为不设计预冷工况的系统与设计有预冷工况的系统的全年能耗对比。从图中可以看出，虽然预冷工况下水泵和冷却塔能耗有所增加，但冷水机组的节能效果更为明显，预冷工况全年可节约能耗约24.6万kWh，数据中心PUE可由1.467降低至1.459。因此，虽然预冷工况增加了水泵、管路及控制阀门的初投资，但是其节能效果显著，投资回报周期短，应作为必要的节能措施。

图5 冷水机组预冷与无预冷工况的全年能耗对比

4 系统优化策略研究

为满足《计划》中存量数据中心PUE≤1.4的要求，尚需要对本项目的系统设计进行优化研究，分析其PUE达到1.4的可能性及本项目的最优供回水温度。

4.1 冷冻水供水温度调节

表3 750RT离心式冷水机组变工况性能参数表

图6 冷水机组COP随冷冻水供水温度变化情况

图7 制冷系统全年能耗随变化情况

图8 PUE随变化情况

4.2 高温型冷水机组

对于常规的离心式水冷冷水机组，在较高蒸发温度工作时，蒸发温度的升高会导致机组压缩机压比降低，压缩机的级效率下降，导致机组将无法正常运行。如需16℃及以上的供水温度，须采用高温型冷水机组。高温型冷水机组的出水温度范围可从12℃调节至20℃，根据研究，机组的COP性能通常在16℃左右达到峰值[9]。

根据《高出水温度冷水机组》，750RT的离心式冷水机组在16℃出水温度的COP要求为7.5[10]。假设实际产品性能较标准提高6%，根据计算可以得到供水温度16~19℃、供回水温差为5℃时的PUE值，结果如图9所示。

图9 高温型冷水机组PUE随变化情况

4.3 冷冻水供回水温差调节

增大冷水机组的冷冻水供回水温差是公共建筑中常见的节能方案，增大供回水温差会导致蒸发温度的下降，降低冷水机组的COP，但是同时也降低了系统的循环水流量，减少了水泵的扬程和耗电量。通常情况下，增大冷冻水的供回水温差对系统整体是节能的。因此，本项目可考虑通过调节冷冻水的供回水温差并更换冷冻水泵来实现进一步节能。

根据研究，5排表冷器的机房精密空调供回水温差理论上可达到6.28℃[11]，由于更换精密空调的成本较高，暂不考虑将供回水温差提至7℃。根据本项目的设计，可将冷冻水供水温度维持在15℃，回水温度升至21℃，冷却水供回水温度保持不变，此时，冷水机组的COP由8.82下降至7.38，冷冻水泵功率由225kW下降至165kW。增大冷冻水供回水温差至6℃后，制冷系统的能耗如图10所示，冷水机组全年能耗增加约2.92万kWh，冷冻水泵能耗下降约48.06万kWh，累计全年可节约能耗约45.14万kWh。

在15/21℃工况下，计算得到数据中心PUE为1.409，已非常接近《计划》中PUE≤1.4的要求。可得本项目的最优冷冻水供回水温度为15/21℃。为了进一步降低PUE值，可考虑将离心式冷水机组更换为高性能的型号，本项目选型的冷水机组国标工况COP为5.90[12]，根据计算，当冷水机组COP比节能规范要求提高6%（6.255）和12%（6.608）时，PUE值分别为1.404和1.399，可知改用高性能的离心式水冷冷水机组可满足PUE≤1.4的要求，但更换冷水机组的改造成本较高，需综合考虑。

图10 冷冻水温差对能耗的影响

5 结论

根据《计划》，上海市要求存量改造数据中心PUE不高于1.4，新建数据中心PUE限制在1.3以下。本文通过对上海市某银行数据中心的能耗进行理论分析计算，在上海市的气候条件下，得出以下结论：

（1）PUE随冷冻水供水温度升高而降低，当冷冻水供回水温度由12/17℃升高到15/20℃时，本项目PUE由1.459降低至1.424。

（2）改用高温型的离心式冷水机组进一步提高冷冻水供水温度的节能效果并不明显，当提高冷冻水供水温度至19℃时，计算得到的PUE为1.421，与15/20℃工况接近。

（3）增大供回水温差可以有效降低PUE，当冷冻水供回水温度由12/17℃升高到15/21℃，可将PUE由1.459降低至1.409。

（4）如采用高性能的离心式冷水机组，当冷水机组的标准工况COP≥6.608时，在15/21℃工况下计算得到PUE为1.399，可满足《计划》的要求，但此方案整体改造成本过高。

（5）终上所述可知，在上海市的气候条件下，15/21℃为本数据中心最优的冷冻水供回水温度。

由于本研究为针对设计工况的理论计算，而实际运行中，设备机柜有可能非满载运行，此时，冷水机组、水泵等设备功率低于设计值，PUE计算公式中的分子和分母将同时变小，实际运行的PUE值需待本项目投入运行后进行实测分析，并根据项目的实际运行情况判断是否有必要对冷水机组进行改造，以满足实际工程的要求。

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Optimization of an IDC Center Cooling System Based on PUE Analysis

Su Zhi

( Tongji Architectural Design (Group) Co., Ltd., Shanghai, 200092 )

The requirement for the PUE of the existing IDC center in shanghai is under 1.4. In this paper, A mathematical model is established for the calculation of PUE. The model is applied to the analysis of an IDC center in shanghai. The result shows that in the original design condition the PUE of this IDC center is 1.459, and the optimization research shows that the achievement of PUE value 1.4 is possible. The results in the paper provide reference to similar project.

Data center; PUE; Water temperature; System optimization

TU831

A

1671-6612（2021）02-162-05

苏 志（1988.11-），男，硕士，工程师，E-mail：33sz@tjad.cn

2021-02-06